腦機接口「智能導航」 實現腦深部腫瘤邊界精準定位

轉自：中國科學報

「患者術前由於腦腫瘤壓迫，出現癲癇頻發的症狀。術后，患者癲癇未見發作，語言表達清晰流暢，生活質量得到提高；同時，手術避免了新的神經功能受損，為接下來的康復和后續治療打下了堅實基礎。」哈爾濱醫科大學附屬第一醫院（哈醫大一院）神經外科主任史懷璋介紹。

哈醫大一院神經外科主任史懷璋在手術現場 空天院供圖

這是全球範圍內首次報道的腦機接口應用於腦深部腫瘤術中邊界精準定位的臨牀試驗。而讓這場「精準手術」成為可能的，是一根約1根頭發絲粗細的國產植入式微電極。

自主研發的NeuroDepth臨牀微電極 空天院供圖

近日，中國科學院空天信息創新研究院（空天院）傳感器技術全國重點實驗室與哈醫大一院神經外科聯合，成功完成「基於植入式微電極陣列的腦深部腫瘤邊界精準定位」臨牀試驗，為神經外科提供實時、高精度的「病灶導航」，有望在精準切除腫瘤的同時最大程度保護健康腦組織，提升患者術后神經功能保留率和生活質量，具有重要的臨牀推廣價值。

實現腦腫瘤邊界精準識別

神經膠質瘤、腦轉移瘤等腦腫瘤具有發病率高、致死率高、複發率高的特點，浸潤性生長特性導致腫瘤組織與正常腦組織邊界模糊難辨。因此，精準定位病灶邊界對手術切除、放療規劃和預后評估至關重要。

史懷璋介紹，臨牀常用的MRI、CT等術前檢查，雖能大致定位腫瘤位置，幫助定位病變及避開功能區，但無法反映手術中例如腦組織移位等動態變化，誤差可達5 ~ 20毫米，在腫瘤切除后期誤差更明顯。術中超聲、黃熒光導航等技術也難以實時、精準區分正常腦組織功能區與腫瘤組織。

「此外，術中皮層腦電圖（ECoG）電生理監測技術雖然分辨率為毫米級，但檢測的是場電位信號，無法達到單細胞水平精準識別，同時存在檢測的滯后性。因此，醫學界一直急需一種能在術中實時判讀、精準識別的技術。」史懷璋説。

為腦腫瘤手術裝上「精準導航」

破解臨牀難題的關鍵力量，來自於在航空航天領域發揮重要作用的空天信息技術，尤其是應用於傳感器領域的微機電系統技術。

腦機接口器件工藝製作現場 空天院供圖

「空天信息技術並非侷限於傳統航空航天領域，在與微系統、醫工交叉融合的過程中，展現出強大的創新潛力，如高性能傳感器、智能感知與神經接口等關鍵技術的協同發展，正加速推進腦機接口等前沿技術的工程轉化與臨牀落地。本次臨牀試驗的成功落地是腦機接口技術走向臨牀轉化與產業化發展的關鍵一步。」中國科學院院士、空天院學術院長吳一戎表示。

空天院是國內最早從事植入式腦機接口研究的科研力量之一，自2007年起，空天院研製出一系列硬質/柔性植入式腦機接口神經微電極陣列和儀器，在國際上首次實現從器件到系統的活體神經細胞原位雙模同步、高通道、高時空分辨率檢測，為本次臨牀試驗奠定了技術基礎。

此次由空天院與哈醫大一院聯合完成的臨牀試驗，採用了空天院自主研發的臨牀腦機接口微電極（NeuroDepth）和多層次調控與高通量神經信號同步檢測儀（AIRCAS-128）。

自主研發的多層次調控與高通量神經信號同步檢測儀 空天院供圖

空天院特聘研究骨干、副研究員王蜜霞介紹，NeuroDepth臨牀微電極主要基於微機電系統工藝和納米功能材料技術，為新型高時空分辨、多位點的腦機接口神經探針，探針最長可達9.5釐米、厚度不超過0.2 毫米，約為1根頭發絲直徑。

同時，寬度可根據臨牀需要自主設計，空間分辨率達15微米，具有超長兼具高韌性與生物安全性，可在全腦任意位置實現單細胞水平電活動原位動態微損傷檢測，通過實時信號檢測與特徵識別，高精度識別腫瘤邊界。

AIRCAS-128神經信號檢測儀相當於「信號解碼器」，可以同步採集、分析海量神經信號，將電極捕捉的原始信號轉化為精準的「病灶導航」，為腫瘤術中邊界判斷提供實時數據。

王蜜霞表示，NeuroDepth臨牀微電極實時捕捉單細胞水平的神經活動信號，優勢主要體現在三個方面：一是探測範圍更廣，突破了傳統神經電極僅能檢測腦表面和淺層的侷限，可探測包含腦表面、淺腦與腦深部的全腦任意區域；二是定位精度更高，空間分辨率達15微米，能識別單個神經細胞的活動，為腫瘤邊界判斷提供了「微觀尺度」的依據；三是信息維度更全，不僅能檢測神經電信號，還能同步檢測化學信號，為區分腫瘤組織與正常組織提供了更全面的依據。

「上述性能可為及時發現病灶、精準識別病灶邊界提供關鍵技術支撐，從而用於確定腦腫瘤邊界、科學開展手術規劃，可在保護大腦運動、語言、認知等功能區的同時，精準切除惡性腫瘤。」王蜜霞説。

臨牀成效顯著 患者術后生活質量提升

本次臨牀試驗針對一位膠質瘤患者開展，該患者術前由於腦腫瘤壓迫，出現癲癇頻發的症狀。

「我們結合影像數據，通過 NeuroDepth 臨牀微電極實時反饋的單細胞水平神經信號，成功精準識別腫瘤邊界，最終在最大程度保護功能區的同時，實現了腫瘤的完整切除。」史懷璋説。

他表示，NeuroDepth臨牀微電極的應用解決了術中動態識別的難題，有望重塑神經外科術中導航與精準切除的技術範式，為推動腦機接口領域醫工融合與臨牀轉化應用提供了有力示範。

后續，空天院與哈醫大一院將進一步拓展技術應用領域，計劃推進高精度腦機接口視聽覺功能重建，幫助失明、失聰患者實現視聽覺感知，推進血管介入腦機接口在卒中后康復、腦積水治療等領域的臨牀應用，助力偏癱患者完成運動功能。